基于运算放大器的峰值检测电路设计.doc

燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书燕山大学课 程 设 计 说 明 书 题 目： 基于运算放大器的峰值检测电路设计 学 院： 电气工程学院 年级专业： 10级检测2班 学 号： 学生姓名： 指导教师： 温江涛 教师职称： 讲 师 燕山大学课程设计（论文）任务书 院（系）：电气工程学院 基层教学单位： 仪器科学与工程系 学 号学生姓名专业（班级）10级检测二班设计题目基于运算放大器的峰值检测电路设计设计技术参数输入信号是由10-100Hz的正弦波和三角波叠加而成。测量电路每0.2秒采集一次输入信号的峰值。 设 计 要 求1：完成题目的理论设计模型；2：给出系统原理图、关键器件的参数及设计依据；3：完成电路的multisim仿真； 工作量1：完成一份设计说明书（其中包括理论设计的相关参数以及仿真结果）；2：提交一份电路原理图；工作计划周一上午到周二上午，教室内做理论设计；周二下午到周五上午，自己有计算机的同学在教室内做multisim仿真，没有计算机的同学到实验室进行电路仿真；周五下午，教室内整理设计材料、准备撰写设计说明书参考资料1:基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计；2：模拟电子技术；3：电路理论；4：数字电子技术；指导教师签字温江涛基层教学单位主任签字说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。 2013年6月28日目 录摘要 2第一章 设计要求及意义31.1 设计要求31.2 设计意义3第二章 峰值检测电路的设计原理4 2.1 峰值的跟踪与保持52.2 复位开关7 2.3 元件选取及参数计算10第三章 Multisim 仿真原理图及结果分析11 3.1 Multisim 仿真原理图11 3.2仿真结果分析12第四章 总结与体会16参考文献摘 要本次课设要求基于运算放大器设计峰值电路，并按要求利用Multisim软件进行仿真结果演示。峰值检测电路（PKD，Peak Detector）的作用是对输入信号的峰值进行提取，产生输出Vo = Vpeak，为了实现这样的目标，电路输出值会一直保持，直到一个新的更大的峰值出现或电路复位。峰值检测电路在AGC（自动增益控制）电路和传感器最值求取电路中广泛应用。这种电路结构简单，性能稳定，易于实现，在工业仪表控制的采样电路中具有相当高工程实用价值。Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。关键字： 运算放大器 峰值检测 555定时器 Multisim 第一章 设计要求及意义1.1 设计要求 本设计要求设计一个基于运算放大器的峰值检测电路（PKD，Peak Detector），对输入信号的峰值进行跟踪，保持，并输出，Vo = Vpeak，直到遇到更大峰值出现或电路复位。 根据任务书要求，总结设计要求如下： （1）输入信号是由10-100Hz的正弦波和三角波叠加而成。 （2）复位开关的周期为0.2s，即跟踪电容每0.2s放电一次。 （3）要求对输入信号的正相反相峰值同时进行跟踪。1.2 设计意义 峰值检测是示波器中数据采集方式之一(另外有取样方式和平均方式)，这种技术起源于存储深度不能满足捕获毛刺的需要。取样方式是通过平均的时间间隔对信号进行取样来进行创建波形，正常取样方式时，要捕捉窄的毛刺，示波器必须以高的采样率才能捕捉到窄的毛刺，并且将全部采样数据全部存储起来。而当信号的频率比较低时，用示波器去观察信号需要将示波器时基档位调到等效采样率比较低的档位，而这时需要等效采样率很低，利用取样方式就不能捕捉到毛刺信号，利用峰值检测技术就可以解决这个问题。 峰值检测不像正常取样那样给出一个详细的完整波形显示，而是以最高的采样率捕捉信号，简单的忽略某些采样，只记录发生在每个采样间隔期间内的最大和最小值，这样就不用增加存储存储深度还可以捕捉毛刺或偶发事件。峰值检测模式下，即使使用的是等效采样率较低的时基档位，也能捕捉到可能出现的某些毛刺信号。峰值检测是数字示波器的重要技术指标之一，在科研、生产的很多领域都需要用到峰值检测设备，用来实现波形的毛刺捕捉或高占空比信号的检测、冲击信号峰值检测，比如检测建筑物中梁的最大承受力、钢材的最大允许拉力、轴承振动噪声的峰值检测等等。主要用来实现以下3个功能：（1）波形的毛刺捕捉；（2）包络的显示功能，峰值检测的方法对于捕捉调制信号是非常有用的； （3）限制混叠的作用。第2章 峰值检测电路的设计原理 顾名思义，峰值检测器（PKD，Peak Detector）就是要对信号的峰值进行采集并保持，产生输出Vo = Vpeak，为了实现这样的目标，电路输出值会一直保持，直到一个新的更大的峰值出现或电路复位。其效果如图2.1（a），电路如图2.1（b）。图2.1 峰值检测器时域波形和电路方框图由峰值检测器的电路特性，可以确定下面四个功能模块： （1）用来保持最近峰值的模拟储存器，即电容器CH，它存储电荷的功能,使 它充当一个电压存储器，V = Q /C ； （2）当一个新的峰值出现时，用来进一步对电容充电的单向电流开关， 即二极管D2； （3）当一个新的峰值出现时，使电容电压能够跟踪输入电压的器件，即电压 跟随器OA1； （4）能周期的将 vo 重新置零的开关SW，这里是用555多谐振荡器和一个模拟 开关 作为采样开关和采集电压的电容相并联实现的。 另外，图2.1（b）中运放OA2 的作用是对电压电容进行缓冲，防止CH 通过R和任何外部负载所引起的放电。另外，D1 和R可以防止OA1在检测到峰值后出现饱和，因此，当新的峰值出现时，可以加快恢复速度。2.1 峰值的跟踪与保持 一、输入信号 图2.2 输入信号 输入信号要求10100Hz正弦波和三角波叠加而成，电路中采用两个函数信号发生器产生频率和占空比可调的输入信号，与运放741构成一个求和放大器，反馈电阻R3=10K，与信号串联的电阻R5=R6=10K相等，最后求和后的输入信号的加权系数都是-1，即为正弦波和三角波的反向叠加。 二、峰值跟踪与保持电路1.正向峰值检测电路图 图2.3 正向峰值检测电路正向峰值检测电路如图2.3，当输入信号的一个新的峰值到大时当一个新的波峰到达时，U1的输出V1为正，D9截止，D4导通，U1利用反馈通路D4-U4 -R2 使它的输入端之间保持虚短路。由于没有电流流过R 2，就会使输出信号Vo 跟踪Vi 。此为跟踪模式，如图2.4（a）。在此期间，D3、D4 二极管对相当于一个单向开关，U1流出的电流经过D4对C 1充电。U1的输出比Vo高了两个二极管的压降。R 6将D3的阳极拉起，才能消除D3的漏电流影响，只用D4来保持反相偏置，C3在跟踪模式期间，稳定具有容性负载的运放U1。在经历了峰值之后，输入Vi开始下降，U1的输出也开始下降，D9导通，D4 截止，由于虚短，U1的输出比输入Vi低了一个二极管的压降，电路进入保持模式，如图2.4（b），在此期间，电容电压保持恒定，D9和R2是为了防止U1在检测到峰值后出现饱和。图2.4 跟踪模式与保持模式中峰值检测器的等效电路2.反向峰值检测电路 图2.5 反向峰值检测电路将正向峰值检测电路中的二极管反向，如图2.5所示，其他部分不变，即得到了可以检测反向峰值的电路，工作原理和正向峰值检测电路类似。2.2 复位开关任务书要求复位开关每0.2s闭合一次，设计由555定时器构成的可调占空比的多谐振荡器产生频率为5Hz的方波控制模拟开关闭合和断开。 （a）方波发生器 （b）模拟开关 图2.6 复位开关1、 方波发生器多谐振荡器又称为无稳态触发器，它没有稳定的输出状态，只有两个暂稳态。在电路处于某一暂稳态后，经过一段时间可以自行触发翻转到另一暂稳态。两个暂稳态自行相互转换而输出一系列矩形波。多谐振荡器可用作方波发生器。其工作原理如下：(1) 起始状态。电路刚通电时，电容C来不及充电，C上无电荷，Vc=0，Vc为施密特触发器的输入端，施密特触发器输出高电平，Vo=1，TD 截止，电容充电，进入暂稳态1。(2) 暂稳态1。TD 截止，Vcc经电阻R1，R2，向C充电。Vc逐渐升高，相当于施密特触发器输入信号为上升沿，在上限阈值电压T+改变状态，Vo由高电平转变为低电平，暂稳态1结束，进入暂稳态2。(3) 施密特触发器输出低电平，TD导通，电容C经过R2和TD向接地端放电，Vc逐渐降低，相当于施密特触发器输入信号为下降沿，在下限阈值T-改变状态，Vo由低电平转变为高电平，暂稳态2结束，自动返回暂稳态1。图2.7 多谢振荡器的电气原理图和电路符号图2.8 多谐振荡器的电压波形图为使占空比可调，可利用二极管单向导通实现。图2.9 占空比可调改进电路脉冲周期为： T=TH+TL=(R1+2R2)CLn2占空比为： P=R1/(R1+R2)2、 模拟开关模拟开关S1连接方波发生器后可周期性的将输出信号Vo置零。当开关S1闭合时，即产生方波处于高电平时，电压存储器CH ，就会瞬时放电，S1断开时，产生方波处于低电平时，峰值检测电路正常工作。但是由于电容器CH 存在泄露和介质吸收，会造成放电不完全，或者漏电流，产生反弹作用。使得测出的峰值不准确，存在误差。 图2.10 理想模拟开关和它的i-v特性图2.11（a）介质吸收 （b）反弹作用2.3 元件选取及参数计算1、 峰值检测部分 1.运放的选取 对U1，U2的要求是它应该具有足够低的直流输入误差和足够高的输出电流能力，以便在短暂的复制器对电压存储器CH 充电，对U4，U5的要求是输入偏置电流足够低，因此选用双JFET器件，选用Multisim元件库中精密高速的运放3554AM可满足要求。 2.电容器的选取 C3，C4可稳定有容性负载的运算放大器U1，U2，作为补偿电容，数量级一般是几十皮法，设计中取C3=C4=10pF。 在电路中有电压存储作用的电容器C1，C2必须足够大，才能降低漏电流的影响，然而太大的电容值会导致充电时间过长，影响电路快速性，经过多次仿真模拟，选用1nF的电容作为C1，C2既可以保证回应速度，又能很好的保持峰值。3. 二极管和电阻的选取 二极管起单向开关的作用，采用通用的1N914即可。D3，D5的上拉电阻R6，R7用于是二极管的阳极和阴极有相同的电位，起限流作用，要求阻值足够大，取R6=R7=1M。R1，R2的作用是给D9，D1提供一个电流通路，这里选取R1=R2 = 10K。2、 复位开关部分方波由555定时器构成的多谐振荡器产生，本设计中采用型号为LM555CN的555定时器。使方波占空比可调的二极管D7，D8为1N1202C。在使用555定时器构成定时器产生方波，周期T=0.2s,取占空比为1%，C6=20uF，分别带入脉冲周期为： T=TH+TL=(R8+2R9)C6Ln2占空比为： P=R8/(R8+R9)求得 R8=144 R9=14.256K4. 模拟开关 要求模拟开关漏电流要小，经过多次仿真实验，选取COMS开关AD7510DIJD，漏电流最小，复位效果最好。 第3章 Multisim 仿真原理图及结果分析 3.1 Multisim 仿真原理图图3.1 Multisim 仿真原理图3.2 仿真结果分析示波器A通道接输入信号，B通道接正向峰值，C通道接反向通道，D通道接方波。（1）信号1：频率为10Hz，幅度为3V的正弦波； 信号2：频率为21Hz，占空比为50%，幅度为2V的三角波； 采样周期为0.2s，占空比为1%； 其仿真结果如下：图3.2 仿真图像（1）（2）信号1：频率为50Hz，幅度为6V的正弦波； 信号2：频率为88Hz，占空比为20%，幅度为6V的三角波； 采样周期为0.2s，占空比为1%； 其仿真结果如下： 图3.3 仿真图像（2）（3）信号1：频率为50Hz，幅度为1V的正弦波； 信号2：频率为88Hz，占空比为20%，幅度为1V的三角波； 采样周期为0.2s，占空比为1%； 其仿真结果如下：图3.4 仿真图像（3）（4）信号1：频率为10Hz，幅度为3V的正弦波； 信号2：频率为21Hz，占空比为50%，幅度为2V的三角波； 采样周期为0.2s，占空比为5%； 其仿真结果如下：图3.5 仿真图像（4） 由仿真图可以看出，当方波输出高电平时，开关闭合，即电容放电期间，电路无法跟踪峰值，电路复位，当方波输出低电平时，开关断开，即电容充电，电路可重新跟踪峰值。 由图3.2和图3.5（输入信号相同，方波占空比不同）对比可以看出，当方波的占空比调大时，电路的复位时间增加，在复位的过程中可能会漏掉出现的更大的峰值，因此，方波发生器的占空比应该尽量小，峰值检测电路的效果才好。 第四章 总结与体会 峰值检测电路，在电气工程中有着重要的作用，在这次课程设计的过程中，虽然只有短短的一周的时间，我们对测控电路，555定时器的进行了复习，并且学习了Multisim软件，进行电路设计和仿真结果。最终达到了满意的效果。 在设计过程中，我们小组针对电路每个元件型号的选取，参数的计算，进行了大量的资料分析，讨论和计算。在设计反向峰值检测电路和复位开关时，